自己动手从零写桌面操作系统GrapeOS系列教程——18.外设和IO

学习操作系统原理最好的方法是自己写一个简单的操作系统。

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一、外设和I/O接口

前面我们介绍过冯·诺依曼结构包含5部分，其中输入设备和输出设备统称为外部设备，简称外设。常见的外设有鼠标、键盘、显示器、硬盘等。由于外设种类多、差异大、速度慢等原因，导致CPU无法直接与外设沟通。于是在CPU和外设之间产生了“中间人”，这个“中间人”就是I/O接口。如下图：

CPU与外设的信息交流都是通过I/O接口来间接实现的。比如我们前面向屏幕输出字符，并不是CPU直接将数据传递给屏幕，而是先传递给显卡，显卡再去操控屏幕。显卡就是一种I/O接口。后面我们将要学习如何读写硬盘，同样CPU无法直接读写硬盘，而是通过“中间人”硬盘控制器来间接实现读写硬盘。硬盘控制器也是一种I/O接口。上图中只举了显示器和硬盘两个例子，实际还有很多，图中用省略号代表了，后面我们学到哪个再讲哪个。

二、I/O端口和端口访问

我们知道在CPU内部有一些寄存器，而在每个I/O接口上面也都有一些寄存器，通常叫做I/O端口。CPU与I/O接口的交流，主要就是读写这些I/O端口，也叫端口访问。
CPU访问I/O端口有两种方式，一种是通过内存地址访问，另一种是通过端口号来访问。

1.通过内存地址访问端口

这种方式就是将一部分内存地址映射到相应的端口上，CPU读写这些端口就和读写内存的指令是一样的。

2.通过端口号访问端口

这种方式是为每一个端口分配一个唯一的编号，叫端口号，然后通过端口号就可以读写这个端口。我们后面主要用这种。
我们需要注意2点：

• 在x86架构中端口号的最大取值范围是0~65535，也就是2个字节表示的范围。
• 端口作为一种寄存器，它的数据宽度有的是8位，也有的是16位。具体是多少位，我们用到的端口都会介绍。

三、端口访问代码

1.读端口代码

读端口总共有4种方式，代码如下：

in al,dx
in ax,dx
in al,立即数
in ax,立即数

以上4行代码，每一行都表示从指定端口读取数据到al或ax寄存器中。
这里需要注意2点：

• 源操作数就是端口号，只能用dx或立即数表示，而且立即数只能在0~255范围内。
• 目的操作数只能是al或ax，如果端口是8位的就用al，如果端口是16位的就用ax。

2.写端口代码

写端口也有4种方式，代码如下：

out dx,al
out dx,ax
out 立即数,al
out 立即数,ax

以上4行代码，每一行都表示将al或ax中的数据写入到指定的端口中。
同样需要注意2点：

• 目的操作数就是端口号，只能用dx或立即数表示，而且立即数只能在0~255范围内。
• 源操作数只能是al或ax，如果端口是8位的就用al，如果端口是16位的就用ax。

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